摘 要

面对越来越严峻的能源危机和各国出台更加严格的排放政策，汽车作为目前使用最广泛的交通工具，如何在未来做到低排放性，高动力性是我们研究的一个主要方向。而改善排放最主要的是要改良内燃机的缸内燃烧过程，因此研究燃油液滴在缸内的蒸发燃烧规律以达到改善燃烧进程，将是以后内燃机研究方面的一个重点。

本文在已有的理论基础和模型上，提出了液滴蒸发的简单模型和燃烧的简化模型，给出物性参数，并利用METLAB对控制方程进行编程求解。在此基础上改变环境因素和物性参数研究其对蒸发燃烧参数的影响。结果表明，提高环境温度，液滴蒸发率、火焰半径、火焰温度等随之增加，而液滴寿命则缩短。增大液滴半径，则液滴的蒸发率、液滴寿命和火焰半径均随之增大，而火焰温度、液滴表面温度和表面的燃料蒸气质量分数均保持不变。提高液滴初始温度，液滴的蒸发率、火焰半径、液滴表面温度和表面燃料蒸气质量分数均随之增大，火焰面温度和液滴寿命则变小。另外由温度分布控制函数验证了“D²定律”等结论。本文的模型虽然过于简单，但各个参数的变化趋势具有一定合理性，建模和求解过程对研究单液滴蒸发方面有一定的参考意义。

关键词：单液滴蒸发；燃烧；数值仿真

Abstract

The car as the most widely use traffic tool now, in the face of the increasingly severe energy crisis and the more strict emission policies that introduced by countries around the world, how to achieve low emission and high dynamic performance in the future is one of the main directions of our research. However, the most important thing to reform emissions is to improve the internal combustion process of the internal combustion engine. Therefore, the study in combustion law of the fuel droplet in the cylinder to improve the combustion process will be a key point of the future research in the internal combustion engine.

This paper is based on the existing theories and models, a simple model of droplet evaporation and a simplified model of combustion are proposed, and programming equations are solved by using METLAB. On this basis, the control variable method was used to change the environmental factors and physical parameters to research the influence of the control variables on the parameters of evaporation and combustion. The results shown that raised the environmental temperature, the droplet evaporation rate, the flame radius and the flame temperature are increased while the lifetime of the droplets is shortened. When the droplet radius is increased, the evaporation rate, the droplet lifetime and the flame radius are increased while the flame temperature, the droplet surface temperature and the surface fuel vapor mass fraction remain unchanged. By raised the droplet initial temperature, the droplet evaporation rate, the flame radius, the droplet surface temperature and the surface fuel vapor mass fraction all increased while the flame surface temperature and the life of droplet decreased. In addition, this paper also focus on by control the temperature distribution function to verify the D²'s law etc. Although the model of this paper is too simple, the trend of the change of each parameter has some rationality. The modeling and solving process have some reference significance for the study of single droplet evaporation.

Key words: Single droplets; combustion; numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本文的主要研究内容 4

第2章 液滴蒸发与燃烧模型建立 6

2.1液滴蒸发与燃烧基本原理 6

2.2液滴蒸发的物理模型 6

2.3液滴燃烧的物理模型 7

2.4本章小结 9

第3章 液滴蒸发的数值仿真与分析 10

3.1初始条件及结果分析 10

3.2液滴蒸发的影响因素分析 12

3.2.1环境温度的影响 12

3.2.2液滴大小的影响 13

3.2.3液滴初始温度的影响 14

3.3本章小结 16

第4章 液滴燃烧的数值仿真与分析 17

4.1初始条件与结果分析 17

4.2液滴燃烧的影响因素分析 19

4.2.1环境温度的影响 19

4.2.2液滴大小的影响 24

4.2.3液滴初始温度的影响 29

4.3本章小结 33

第5章 结论与展望 34

5.1结论 34

5.2展望 34

参考文献 36

附录 38

乙醇单液滴蒸发与燃烧数值仿真程序 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着工业的高速发展，内燃机在实际生活中已成为最重要的动力设备之一，最典型的应用就在于交通工具。生活质量的改善和工业的发展使得汽车的普及度大大提高，而汽车在给我们带来生活上便利的同时，也在向我们的生活环境中排放大量尾气。经过科学研究表明，一辆汽车一年排放的尾气为车子重量的3倍，再联想到车辆基数，可想而知其尾气排放对我们的身体和周围环境有多大影响。而目前全球大部分国家都开始提倡可持续发展，即注重发展的同时，也更关注对生存环境的保护，因而伴随而来的是一条条严格的尾气排放法规。因此在研究汽车动力性的同时，要更注重其排放，达到高动力性、低排放性的节能环保的目标。而要改善车辆排放，则要更多研究其燃料液滴在缸内的蒸发燃烧特性。因此对单液滴蒸发燃烧特性的研究不仅仅是一次理论探讨，还有着很强的实用价值。

单液滴蒸发燃烧规律是研究喷雾蒸发与燃烧这一复杂物理化学过程的基础^[1]，对于单液滴蒸发燃烧特性的研究，可以做到在不影响车辆动力性，甚至是提高其动力性的基础上，提出优化燃料在缸内燃烧的模型方案，从根源上降低车辆的排放，尤其是针对直喷式的柴油机而言，缸内燃油的喷射、雾化、蒸发和燃烧这几个过程的重要性不言而喻^[2]，甚至于燃油液滴的蒸发燃烧过程及燃料蒸气在空间上的分布直接决定了直喷式柴油机的燃烧特性，从而进一步影响内燃机的总体性能。并且也可以将这方面的研究应用到火箭发射等航空航天方面。同时也由于越来越严格的国家排放标准，使得通过研究单液滴蒸发燃烧特性来开发低排放性、高动力性的燃烧器成为未来的研究大趋势之一。如M. Burger等人^[3]通过提出一种新型有效的燃油液滴蒸发模型来达到降低排放的目的。